Entwicklung der Funknavigation (2005)


Autor  Dipl.-Ing.Uwe Petersen, vormals Mitarbeiter im BSH, ist ein Fachmann von hohen Graden. Uwe Petersen ist Freier Sachverständiger (BVFS) zu diesen Fragen (Tel: +49 (0)40 84 05 67 40 - Fax: +49 (0)40 84 05 67 41) und ehrenamtlicher Referent für "Elektronische Navigation" der Kreuzer-Abteilung des DSV.


 

FUNKNAVIGATION:

 

ENTWICKLUNG UND ZUKUNFT (2005)

       

      

Dipl.-Ing. U. Petersen

     

Im Jahr 2000 war die vorfristige, wirtschaftlich bedingte Rücknahme der künstlichen Signalverschlechterung (SA) bei dem von den USA be­triebenen Satelliten-Navigationsverfahren "Global Positioning System" (NAVSTAR-GPS) das herausragende Ereignis.

Im Frühjahr des Jahres 2001 überraschte das BMVBW (Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen) mit der Aussage, daß sich die Bundesrepublik Deutschland bei der Schiffssicherheit nur noch auf GNSS (Global Navigation Satellite System, GPS und/oder GALILEO) stützen werde. Eine Absicherung von GNSS sei nicht erforderlich, als Backup genügten die an Bord vorhandenen Einrichtungen wie z.B. Inertialsysteme, Echolot usw.

Ende September 2001 warnte im Gegensatz dazu das BMBF (Bundesministerium für Bildung und Forschung ) vor möglicher eingeschränkter Verwendbarkeit von GPS!

Am 26.März 2002, mit 15 Monaten Verzug, fiel endlich die Entscheidung der europäischen Verkehrsminister für den Aufbau von GALILEO.

Am 26. Juni 2004 unterzeichneten die USA und die EU das Abkommen über einheitliche Signalstrukturen bei GPS und GALILEO. Damit war der Weg für ein echtes Kombisystem geebnet.

Die Eigenschaften von GPS sind ohne Zweifel hervorragend. Inzwischen wird jedoch offen über die Gefahren gesprochen, GPS als einziges Navigationssystem zu verwenden; selbst die Luftfahrt spricht bei GPS nur noch vom primären nicht aber einzigen (sole mean) Navigationssystem. Die US President`s Commission on Critical Infrastructure Protection hatte schon 1997 ausdrücklich auf die Störanfälligkeit von GPS hingewiesen und daß dies offensichtlich von den zivilen Nutzern, im Gegensatz zu den militärischen, immer noch nicht ausreichend zur Kenntnis genommen werde. Auch die Studie des VOLPE Research Center (10.Sept.2001 veröffentlicht) macht deutlich, daß GPS-Backup-Systeme zur Sicherung unabdingbar sind. Statt dessen begibt man sich, alle Warnungen aus Fachkreisen ignorierend, verstärkt in die Abhän­gigkeit von GPS und es werden national oder international Ver­fahren/Systeme zur Verwendung an Bord vorgeschrieben bzw. vor­geschlagen, die bei ihrer Anwendung allein auf GPS-Positionen und/oder -Zeittakten basieren. Das Global Maritime Distress and Safety System (GMDSS), Automatic Identification System (AIS), Electronic Chart Diplay and Information System (ECDIS) aber auch die Bahnführung sind auf GPS als sogenanntes Stand-Alone-Verfah­ren angewiesen. Insbesondere auf den Hochgeschwindigkeitsfahr­zeugen wird die Zeit für notwendige Querschecks immer kürzer. Es wird bereits auf die Gefahr von GPS unterstützten Strandungen, Kollisionen und auch dem Verlust von Menschenleben hingewiesen. Sind doch ähnliche Zusammenhänge aus der Vergangenheit bei der Einführung von Radar oder Autopiloten bekannt, spektakulär waren z.B. die radarbedingte Kollision "Stockholm" / "Andrea Doria", und die GPS/Bahnführungsbedingte Strandung "Royal Majestic" und "Silja Europa".

 

Für die staatlichen Verwaltungen besteht die Verpflichtung, auf Gefahren und Mängel hinzuweisen, die für die ganze Gesellschaft aus einer einseitigen Abhängigkeit großer, kritischer Infra­strukturbereiche von ungesicherten Systemen resultieren. Darüber hinaus haben die Verwaltungen dafür zu sorgen, daß sich durch stützende Systeme die Unsi­cherheit der benötigten Systeme nicht katastrophal auswirken können. Die USA reagierte auf die Gefährdung von GPS nach dem 11.Sept.2001 sehr schnell, am 7.März 2002 lag vom DoT ein Aktionsplan zur Absicherung der auf GPS beruhenden Infrastrukturbereiche vor. Hingegen zeigen sich die EU ebenso wie die Mitgliedsstaaten weiterhin weitgehend als beratungs­resistent, man ist auf GALILEO fixiert.

 

GPS-Verfahren mit verschieden großen Fehlern

GPS läßt eine kontinuierliche, dreidimensionale Standort- und Geschwindigkeitsbestimmung zu. Das Verfahren bietet zwei Dienste mit unterschiedlichen Eigenschaften. Der sogenannte Precise Positioning Service (PPS), früher P-Code genannt, ist codiert und verschlüsselt. Er steht nur den Streitkräften der USA und ihren Verbündeten zur Verfügung. Der zweite Dienst, Standard Positioning Service (SPS), früher C/A-Code genannt, ist einfacher kodiert, unverschlüsselt und allen Nutzern zugänglich. Aber auch er wurde ursprünglich nur für militärische Zwecke entwickelt, zur Synchronisation der Empfänger auf den P-Code.

Seit Oktober 2001 liegen die GPS-Spezifikationen für den Betrieb, nach der am 2.Mai 2000 abgeschaltete Signalverschlechterung (SA), vor. Danach übersteigt der Positionsfehler in 95% (PDOP ≤6) aller Fälle nicht ±13m; vorausgesetzt wird dabei, daß alle mehr als 5° über dem Horizont stehenden Satelliten benutzt werden. Damit ist jetzt auch im zivilen Bereich eine Geschwindigkeitsermittlung möglich.

Die Wahrscheinlichkeitsangabe, daß 95% aller Positionsermittlungen mit einem Fehler von maximal ±13m behaftet sind, bedeutete nicht, daß bei jeweils 100 Messungen nur 5 eine größere Unsicherheit als ±13m aufweisen. Der Wahrscheinlichkeitsangabe liegt jeweils ein Zeitraum von 24 Stunden (Wiederholung der Satellitengeometrie) zugrunde. Theoretisch könnten also für die Dauer von 72 Minuten (5% von 24 h) Fehler über ±13m auftreten. Über den maximalen Fehler werden nur indirekte Angaben gemacht. Er soll gemittelt über 1 Jahr in 99,79% aller Fälle das sechsfache, d.h. ±78m nicht übersteigen.

GPS befindet sich seit längerer Zeit in einem hervorragenden Zustand, z.Z. sind 27 bis 30 Satelliten aktiv, garantiert werden von den USA aber nur 24 mit einem kurzzeitigen Minimum von 22, hierfür gelten auch die SPS-Spezifikationen. Als Folge des augenblicklichen Überangebotes ergeben sich bei der Positionsermittlung sehr viel geringere Fehler (teilweise unter ±10m) als erwartet und von den USA zugesagt, es sei denn, es liegt eine Abschattung vor, z.B. in Fjorden oder Häuserschluchten.

Die aktiven Satelliten sind allerdings unterschiedlich ausgestattet, wie ihrer Zugehörigkeit zu den Blöcken: II, IIA und IIR zu entnehmen ist. So haben die Block II / IIA-Satelliten z.B. eine Konstruktionslebensdauer von 7,5 Jahren mit einer erwarteten mittleren Betriebsdauer von 6 Jahren; für die Block IIR-Satelliten (Replacement satellites) lauten die entsprechenden Zahlen 10 und 7,5 Jahre. Aus diesen rechnerischen Lebenserwartungen könnten sich erhebliche Probleme ergeben, denn es tun inzwischen 14 Satelliten mehr als 9 Jahre Dienst, davon: 7 zwischen 9 und 12,  7 über 12 Jahre.

Neben den als kritisch angesehenen Uhren, sind andere funktionsnotwendige Baugruppen (laut Aussage 2nd Space Operation Squadron at Schriever Air Force Base) bei 13 der Block II / IIA-Satelliten nicht gedoppelt, z.B. der Daten-Bus und die Navigations-Einheit. Der Ausfall einer oder beider Einheiten bedeutet unwiederbringlich das Ende der Navigationsfunktion des Satelliten.

Es muß also jederzeit mit überraschenden Ausfällen aus der Menge der "überalterten" Satelliten gerechnet werden.

Als Absicherung des Systems werden Ersatzsatelliten vorgehalten, ihre Zahl schwankt je nach Nachrichtenquelle. Aber es genügt nicht Satelliten zu lagern, sie müssen auch gestartet und in Betrieb genommen werden. Bei den zuletzt gestarteten Block IIR-Satelliten lagen zwischen Start und Betriebsaufnahme im Orbit 2 bis 3 Wochen.

 

Man arbeitet daran, innerhalb von 72 Stunden zu starten und anschließend nach 7 Tagen ein einwandfreies Navigationssignal auszusenden. Angaben über die maximale Startfolge liegen nicht vor, schließlich benötigt jeder Satellit eine gesonderte Transportrakete.

Es sind aufgrund der vorstehenden Tatbestände einige Unsicherheiten des Global Positioning Systems unverkennbar. Wobei nicht darauf vertraut werden kann, daß das Militär ja ein funktionsfähiges System benötigt. GPS enthält die Möglichkeit, seine Funktionsfähigkeit durch Verschieben von Satelliten für ein Krisengebiet zu optimieren allerdings unter Genauigkeitsverlusten für andere Gebiete.

 

Volle Betriebsbereitschaft 1995

Die Entwicklung des Satelliten-Navigationsverfahrens GPS-NAVSTAR begann in den 70er Jahren. Es wurde allein für die Sicherheitsbelange der USA aufgebaut. Die Voraussetzung der vollen, militärischen Betriebsbereitschaft war am 27.April 1995 erreicht. Das DoT erklärte NAVSTAR-GPS am 17.Juli 1995 für voll verwendungsfähig (Full Operational Capability, FOC).

Bereits am 8.Dezember 1993 erklärte der US Verteidigungsminister (DoD) gegenüber dem US Verkehrsminister (DoT) die sogenannte Initial Operational Capability (IOC); es waren 24 Satelliten (21 plus 3 Reservesatelliten), Block I und II, in Betrieb. Am 23.März 1994 gab der US Verkehrsminister für zivile Anwender GPS als betriebsklar und den Vorgaben der SPS-Definition entsprechend frei. Mit ihr erlangte NAVSTAR-GPS einen Status, vergleichbar dem von LORAN-C. Der Betreiber des Verfahrens unterwarf sich einer Informationsverpflichtung über den jeweiligen Verfahrenszustand. Die offizielle Freigabeerklärung im Federal Register, dem Amtsblatt der USA, enthält hierzu Einzelheiten. Sie wurden später mehrfach ergänzt.

 Ungewißheit bei ziviler GPS-Anwendung

Der Tatbestand, daß das GPS-Verfahren vorrangig für die Sicherheitsbelange der USA, d.h. für militärische Zwecke, entwickelt und aufgebaut wurde, darf nie außeracht gelassen werden. Es enthält dementsprechend Möglichkeiten, den Zugang und die Anwendung seitens nicht autorisierter Nutzer, zu denen auch die zivilen Anwender gehören, zu erschweren oder gar zu verhindern. Auch die neuen Satelliten müssen weiterhin "SA-fähig" sein. Alle Zusagen der USA enthalten daher auch weiterhin offen oder verdeckt immer die Einschränkung: solange es die Sicherheit der USA zuläßt. Falls der US Verteidigungsminister mit Zustimmung des Präsidenten der USA die Sicherheit für gefährdet erklärt, können bei GPS auch zukünftig ohne Warnung für nicht autorisierte Nutzer Verwendungsbeschränkungen eingeführt werden. Die Entscheidung über Verfahren und Umfang liegt beim Verteidigungsministerium der USA (DoD). Eine globale Beschränkung, wie sie vormals SA darstellte, ist jedoch nicht mehr  vorgesehen. Die USA wollen die Verwendungseinschränkungen auf das jeweilige Konfliktgebiet begrenzen. Derartige Veränderungen der Positionsunsicherheit lassen sich nur erkennen, wenn ein mindestens ebenso genaues, unabhängiges Vergleichsverfahren eingesetzt wird.

Während der Kosovo-Krise wurden Teile der sonst frei zugänglichen Informationen für zivile Nutzer gesperrt. Auswirkungen auf die normale Navigation gab es aber nicht. Während des Irak-Krieges kam es zu örtlich begrenzten Verwendungseinschränkungen.

GPS Modernisierung

Bereits 1995 begannen Bemühungen, das militärische Potential von PPS zu erhöhen, der Systementwurf ist schließlich schon 30 Jahre alt.

Das Ende einer längeren Diskussion war am 28.März 1996 die Richtlinie des US Präsidenten (Presidental Decision Directive, PDD) für die zukünftige Handhabung und Nutzung von GPS und seiner von den US-Verwaltungen bereitgestellten Ergänzungen. Sie wurde  am 15.Dezember 2004 durch eine neue Richtlinie zur Politik der satellitengestützten Einrichtungen zur Verwendung von Position und Zeit ersetzt. Die Dreiteilung politische Ziele, politische Richtlinie, Verantwortung der Ministerien ist geblieben, es wurde aber eine Verstärkung der Sicherheitsgesichtspunkte und eine Verschärfung der Richtlinien für den Export sensibler Techniken vorgenommen:

1)         GPS-SPS wird weiterhin kostenlos, kontinuierlich, weltweit für friedliche Verwendung zur Verfügung gestellt.

2)         GPS und die staatlicherseits vorgenommenen Ergänzungen (DGPS, LAAS, WAAS) bleiben in der Entscheidungsverantwortung der National Command Authorities (Präsident, Verteidigungsminister, Oberster Stabschef).

4)         Es wird ein ständiger Ausschuß unter wechselnder Leitung DoD und DoT eingerichtet (National Space-Based Positioning, Navigation, and Timing Executive Committee)

5)         Die fremden Systeme und Ergänzungen sind in ihren möglichen Wirkungen auf die Sicherheit der USA einzubeziehen.

6)         Die Verantwortung für GPS und die Ergänzungssysteme wird aufgeteilt auf die Ministerien für:

--          Verteidigung:  Entwicklung (auch Zusatzlasten für globale SAR-Zwecke und       Backup-Systeme), Betrieb von GPS, Fragen der mil. Nutzung,

--          Verkehr:  Fragen der zivilen Nutzung, Entwicklung, Betrieb von Ergänzungssystemen für zivile Infrastruktur,

--          Handel:  Fragen der Frequenz-Sicherung und –Beschaffung,

--          Äußeres:  Verbreitung von GPS als internationales Standard-Navigationverfahren zur Vermeidung von Gefahren für die US Wirtschaft,

--          Nationale Sicherheit:  Fragen der Nutzung für Innere Sicherheit, Abwehr gefährlicher Nutzungen und Störungen im Inland.

 

Am 1.Mai 2000 wurde das vorzeitige Abschalten von SA in einer Pressekonferenz des Weißen Hauses veröffentlicht. Dort wurde auf Befragen auch bestätigt, daß DGPS weiterhin notwendig sei. Jedoch verweigerte der Vertreter des Verteidigungsministeriums Auskünfte über Einzelheiten der Störung bzw. Einschränkung der GPS-Nutzung zu Konfliktzeiten und in Konfliktzonen. Mit einer Sondermaschine sandte der US Präsident Mr. GOLDIN (Chef der NASA) zum 2.Mai zur internationalen Satelliten-Navigationstagung GNSS 2000 nach Edinburgh, um bekannt zu geben, daß SA in der Nacht abgeschaltet worden sei.

Gründe des vorzeitigen Abschaltens waren die US GPS-Frequenzwünsche für die bevorstehende World Radiocommunication Conf. 2000 (WRC-2000) und das geplante europäische Satellitensystem GALILEO; den Termin der Bekanntgabe bestimmte die GNSS-Tagung mit über 500 Teilnehmern(optimale Öffentlichkeit!).

Mit dem Abschalten von SA verminderte sich zwar der Positionsfehler auf ca. 10% des bisherigen, an den fundamentalen Einschränkungen von GPS änderte sich jedoch nichts. Für sicherheitskritische Anwendungen, bei denen unentdeckte Systemfehler sofort zu schwersten Risiken führen, ist GPS allein weiterhin nicht geeignet (z.B. Durchsteuern Kadetrinne, auch die Empfehlung des BMVBW, hierbei zugelassenen ECDIS-Anlagen einzusetzen verbessert die Situation nicht). Die im Auftrag einer US Presidential Decision Directive erstellte VOLPE-Studie (10.Sept.01 veröffentl.) über die Verwundbarkeit der auf GPS beruhenden nationalen Verkehrsinfrastruktur fordert für alle sicherheitskritische Anwendungen die Entwicklung und Einführung geeigneter GPS-Stütz- bzw. GPS-Backup-Systeme.

 

Die Weiterentwicklung des Precise Positioning Service, PPS, verteilt sich etwa gleich auf Steigerung der Leistungsfähigkeit und Erhöhung der Störfestigkeit.

Im Frühjahr 1996 begann man mit Änderungen an der Satelliten-Software, es wurden bislang freie Plätze des Datentelegramms der Satelliten belegt. 

Daneben wurde die Anzahl der bisher 5 GPS-Monitorstationen erhöht. Stationen der National Imagery and Mapping Agency erhielten GPS-Monitorausstattung (NIMA vormals Defence Mapping Agency (DMA) erhielt als Folge des 11.Sept. zusätzliche Aufgaben und einen neuen Namen „National Geospatial-Intelligence Agency“ (NGA) und wurde vom Departm. of Defence ins Departm. of Homeland eingegliedert). Mit den zugeschalteten NIMA-Stationen stehen jetzt 12 GPS-Monitorstationen zur Verfügung, so daß alle PPS-Signale der GPS-Satelliten fast ununterbrochen beobachtet werden können. So lassen sich laufend Bahn-, Zeit- und Gesundheitsdaten der Satelliten ermitteln und damit die Navigation Message des Master Control Centers für jeden einzelnen Satelliten schneller aktualisieren. Jeder Satellit hat jetzt außerdem Bahndatenkorrekturen für alle anderen. Lediglich nach dem Satelliten mit der jüngsten Aufdatierung muß gesucht werden, um für alle Satelliten die aktuellsten Korrekturen zu erhalten. Um den Suchvorgang zu beschleunigen, wurde die Kanalzahl bei den mil. Anlagen erhöht. Mit dieser Maßnahme verbleibt ein Positionsfehler in der Größenordnung von schätzungsweise ±1..1,5m(SEP). Für zivile Nutzer ergibt sich leider kein entsprechender Gewinn. Bislang wird das zivile Signal nicht umfassend überwacht, obwohl dies eigentlich eine unabdingbare Voraussetzung für die US-Bestrebung sein müßte (PDD 1996), GPS weltweit als Standard Navigationssystem anerkannt zu bekommen. Das Überwachungsnetz für das zivile Signal soll 2007 betriebsbreit sein. Zivile Anwender müssen daher aus technischen Gründen weiterhin damit rechnen, erst 2h (GLONASS ≥6h) nach Auftreten eines Satellitenfehlers darüber sicher informiert zu sein. So trat beim GPS-Satelliten PRN 22 am 22. Juli 2001 ein empfängerseitig nicht erkennbarer Uhrenfehler auf. Er wurde zwar von der WAAS-Kontrollstation sofort erkannt aber für das GPS Master Control Center stand der Satellit für Kontrollmessungen und notwendige Steuerungsmaßnahmen schon zu tief. Erst nach 111 Minuten konnte der Satellit als fehlerhaft markiert werden. Während der knapp 2 Stunden erzeugte er örtlich bis zu 300km Positionsfehler. Daß eine derartige Störung kein Einzelfall ist, zeigte sich am 1.Jan.2004. Bei dem Satelliten PRN 23 trat um 18:33 Uhr (UTC) ebenfalls ein Uhrenfehler auf. Die von heutigen Sportbootanlagen nicht erkennbaren Störung endete um ca. 18:20, als die Bodenkontrolle wieder Zugriff auf den Satelliten hatte und ihn als unbrauchbar markieren konnte. Messungen in Kiel ergaben in 95% aller Fälle einen Positionsfehler von ±4,6 sm. In den restlichen 5% erreichte der Fehler bis zu 22 sm. Dieser Uhrenfehler hatte nach offizieller Mitteilung der USA Auswirkungen auf die Nutzer in großen Teilen Europas, Afrika, Asien, Australien und dem äußerten Norden Nordamerikas.

 

Die Entscheidung der IGEB für die Modernisierung des Standard Positioning Service, SPS, fiel am 27.März 1998. Es wird ein zweites Signal auf der GPS-Frequenz L2/1227,60MHz eingefügt. Darüber hinaus  sprach man sich für ein drittes Signal L5 aus. Für L5 ist 1176,45MHz als Frequenz vorgesehen. Dieses Signal ist für Nutzer mit höchsten Genauigkeitsansprüchen gedacht. Für die normale Navigation wird es keine Rolle spielen.

Die angestrebte volle Verfügbarkeit des 2. Signals ab 2008 dürfte jedoch aus folgenden Gründen unrealistisch sein:

1)         Die Satelliten-Generation IIR (bisher 12 im Orbit) war für Modifizierungen nicht vorgesehen

Außerdem hat der bisherige Hersteller Lockheed Martin die Produktion der Block IIR-Satelliten eingestellt. 

Für die folgende Satelliten-Generation IIF sind Mittel ($ 145 Mio.) für die Modernisierung der ersten 3 Satelliten und die Konstruktion weiterer 3 bis 2009 freigegeben. Das GPS Joint Program Office (JPO) erwartet nach eigenen Aussagen aber, daß aus dem Originalkontrakt über 33 Stück 8 beschafft werden. Hierfür ist aber ein erheblicher Zeitraum einzuplanen, denn die Satelliten müssen gebaut, getestet und für den Start vorbereitet werden. Erster Start ist für Mai 2005 geplant. Der Satellit soll erstmals M-Code und 2. ziviles Signal abstrahlen.

2)                  Das DoD ist an zusätzlichen, zivilen Signalen nicht interessiert, es arbeitet im Gegenteil daran, sich von der Synchronisation über den C/A Code freizumachen. Es benötigt seine Haushaltsmittel für die Sicherung der Störfestigkeit. Die Kosten der zivil genutzten Anteile müssen vom DoT aufgebracht werden.

3)                  Dem DoD wurde jetzt auch noch der spezielle Haushaltstitel “GPS“ gestrichen. GPS-Aufwendungen müssen augenblicklich aus einem Gemeinschaftstitel, der alle mil. Weltraumaktivitäten enthält, bezahlt werden.

Realistischer dürfte es daher sein, nicht vor 2012/15 mit einer vollen Verfügbarkeit des 2. Signals zu rechnen. Bisher tragen ca. 5% der Nutzer (Streitkräfte) 100% der Kosten. Hier sollte auch bedacht werden, daß GPS längst kein reines Navigationssystem mehr ist. Inzwischen hängen auch viele zeitkritische Anwendungen von GPS als Zeitbezug ab, z.B. Telefon- und Stromversorgungsnetze, Internet, Börsentransaktionen aber auch digitale Rundfunk- und Fernsehsendungen und das Automatic Identification System (AIS).

 Auf der WRC, Mai 2000 wurde die dritte GPS-Frequenz 1176,45MHz(L5 Signal), aber auch die Frequenzen für das europäische Satelliten-System GALILEO, vorgemerkt.

GLONASS eine Alternative?

GLONASS (GLObal NAvigation Satellite System) stellt das von der UdSSR entwickelte Gegenstück zu GPS dar. Auch bei ihm wird mit zwei Frequenzen und Signalen gearbeitet, wobei wiederum ein Signal dem Militär vorbehalten ist. Allerdings kannte GLONASS zu keiner Zeit eine Verschlechterung (SA vergleichbar) des zivil nutzbaren Signals. Es war von Anbeginn mit einem kleinen Fehler behaftet, ca. ±30m, und es konnte daher auch immer zur Geschwindigkeitsbestimmung eingesetzt werden. 24 Satelliten bilden das vollständige System. Sie waren erstmals am 18.Januar 1996 in Betrieb; es erfolgte die Erklärung der vollen Betriebsbereitschaft (FOC). Das System wurde aber in der Folgezeit nicht sehr gut gepflegt, die Zahl von 24 Satelliten konnte nicht aufrecht erhalten werden, es wurden zudem nicht alle Systemmängel offengelegt. Bereits nach einem halben Jahr waren nicht mehr 24 Satelliten betriebsbereit, womit letztlich FOC nicht mehr vorlag. Es gibt auch heute noch keine verbindlichen Zusagen für einen einwandfreien Betrieb. Inzwischen sind nach zahlreichen Neustarts wieder 11 Satelliten in Betrieb (letzter Start 26.12.04). Als Systemminimum werden 11 Satelliten für eine sinnvolle Nutzung angesehen. Das Signal des ersten Satelliten der neue M-Generation, Start 12.01.01, wurde am 15.04.03 endlich als einwandfrei gekennzeichnet. Ein weiterer M-Satellit (Start 10.12.03) wurde am 9.12.04 als nutzbar gekennzeichnet. Die M-Satelliten sollen u.a. eine längere Lebensdauer aufweisen. Für sicherheitsrelevante Anwendungen ist die Verwendung von GLONASS allein nicht zu verantworten. Die Zukunft des Systems ist weiterhin unsicher, auch wenn Präsident Jelzin am 18.Febr.1999 mit einer Anordnung GLONASS für ausländische Finanzierung öffnete, um es zur Basis eines internationalen Satelliten-Navigationssystems werden zu lassen (am 10.Febr.1999 gab es die EU-Erklärung zur Entwicklung des Satelliten-Systems GALILEO). Es bleibt auch abzuwarten, ob die Ankündigung vom 06.Nov.2002 erfüllt wird, daß zukünftig jährlich 2 bis 3 Start mit jeweils 2 oder 3 Satelliten erfolgen sollen (2001: 1 Start 3 Sat,   2002: 1 Start 3 Sat,   2003: 1 Start 3 Sat,   2004: 1 Start 3 Sat am 26.12.).  

Die Lebensdauer der GLONASS-Satelliten, vermutlich bedingt durch die begrenzte Nutzbarkeit der Atomuhren, ist bislang unbefriedigend, schon 80 Satelliten segneten das Zeitliche. Spätestens in diesem Jahre müssen zudem die Betriebsfrequenzen der Satelliten wegen Störung anderer Funkdienste geändert werden.

Auswirkungen auf andere Navigationssysteme

Die Betriebsaufnahme von GPS-NAVSTAR blieb nicht ohne Einfluß auf die bisherigen Verfahren.

 Es wurden abgeschaltet:

TRANSIT/NNSS                      am 31.Dezember 1996          (Alter 32 J.)

DECCA (Norwegen)                 am 28.Februar 1997

OMEGA                                  am 30.September 1997

DECCA (Festland)                    am 31.Dezember 1999

DECCA (Engl.,Irl)                    am 31.März 2000                  (Alter 55 J.)

 

Geblieben ist nur LORAN-C, das aus Sicherheitsgründen insbesondere unter den Bedrohungen

durch Terrorismus auch dringend erhalten bleiben sollte, ohne es jedoch in der Form zu benutzen, wie vor mehr als 10 Jahren.

Aber auch die terrestischen Navigationshilfen, wie Tonnen und Leuchtfeuer, wurden und werden teilweise erheblich vermindert.

 LORAN-C: Intensive Nutzung in den USA

 Ende 1994 endete für die USA generell die militärische Nutzung von LORAN-C. In den USA wurde infolge der vollständigen Abdeckung des Landes und der angrenzenden Seegebiete LORAN-C intensiv sowohl in der Luftfahrt als auch im Landverkehr genutzt. Nach dem Federal Radionavigation Plan 1994 sollte LORAN-C 2000 abgeschaltet werden, da GPS alle Aufgaben erfüllen könne. Besonders folgenreich war, daß die Industrie die Weiterentwicklung von LORAN-C-Anlagen daraufhin einstellte. Ein von Luftfahrtinstitutionen (FAA, AOPA und ATA) an die APL John Hopkins Univ. gegebener Studienauftrag "GPS as Stand Alone System" ergab, daß GPS aus Sicherheitsgründen, zumindest in der Luftfahrt, als einziges Navigationsmittel (sole mean) ohne Stützung (z.B. Differentialverfahren, LORAN-C) nicht brauchbar ist. Insbesondere wurde die Gefahr absichtlicher oder unabsichtlicher Störungen untersucht. Das LORAN-C-System wurde modernisiert, zentrale Überwachung und Steuerung sind vorgesehen. Für die Haushaltsjahre 2001 und 2002 wurden jeweils Millionenbeträge bereitgestellt. Die Haltung der Industrie änderte sich aber nicht, nur in Europa wurde aufgrund der veränderten Technik der hiesigen, neuen LORAN-C-Ketten die Entwicklung wieder aufgenommen.  Augenblicklich finden intensive Untersuchungen statt wieweit LORAN-C, eventuell ein verbessertes, sogenanntes eLORAN (enhanced LORAN), als Backup für GPS für See- und Luftfahrt genutzt werden kann.

Sollte eine Entscheidung zum langfristigen Bestand von LORAN-C fallen, so wollen die USA bei der IMO seine Anerkennung als Bestandteil weltweiter Funknavigation erwirken.

 

LORAN-C in anderen Staaten

Der Rat der EU entschied zwar am 25.Febr.1992, daß LORAN-C das künftige, terrestrische, europäische Navigationsverfahren sein sollte. Heute ist die Zukunft von LORAN-C für die Europäische Kommission aber ohne Interesse, auf der Tagesordnung steht GALILEO. Es verfügt für Politiker offenbar über eine magische Immunität gegen Störungen. Für den Europäischer Radio Navigationsplan (ERNP) zeichnet sich ab, daß LORAN-C nach langer Diskussionen doch wieder angemessen berücksichtigt werden wird.

Bereits im August 1992 fiel die endgültige Entscheidung für den Ausbau und Betrieb eines nordwesteuropäischen LORAN-C-Netzes. Von Dänemark, Frankreich, Deutschland, Irland, Holland und Norwegen wurde das entsprechende Abkommen mit dem Kostenverteilungsplan unterzeichnet. Mit diesem Abkommen entsprach man der Entscheidung des Rates der Europäischen Gemeinschaft. Das Netz (NELS, North-West European Loran-C System) besteht aus den sechs vorhandenen LORAN-C-Stationen der norwegischen und der französischen Ketten, sowie aus zwei neuen Stationen in Norwegen. Sie wurden zu 4 LORAN-C-Ketten zusammen geschaltet, die im Laufe des Jahres 1996 betriebsklar waren. Hierzu gehörte auch die Vorbereitung des Senders Sylt für den Betrieb mit einem Nebensender aus der russ. CHAYKA-Kette 8000 zur Abdeckung der Ostsee. Leider scheiterten im Jahre 1997 die Verhandlungen über eine schnelle Anbindung der CHAYKA-Station. Langfristig ist die Verbindung zur CHAYKA-Kette aber weiterhin notwendig. Da aber kurzfristig eine Station auf dem Territorium der GUS nicht zugeschaltet werden konnte, war sogar eine zusätzliche Station in Mecklenburg-Vorpommern geplant.

Im Mittelmeer-Bereich hat Italien unter Beteiligung der Staaten Frankreich, Spanien und Algerien die Führung übernommen. Die Stationen in Spanien und der Türkei existieren allerdings nicht mehr. Die GUS strebt die Einbeziehung des russischen LORAN-C-Nebensenders auf der Krim (CHAYKA-Kette 8000) an, in Doppelfunktion als Nebensender der Mittelmeerkette (Bedeckung Schwarzes Meer). Da es jedoch nicht vorangeht, möchte Italien seine beiden Sender in das North-West European Loran-C System (NELS) integrieren. Hierbei wird es von Frankreich unterstützt. Die Zukunft von NELS, die jährlichen Betriebskosten des Systems einschließlich Control Center Brest und Coordination Center Oslo betragen lediglich 4,2 Mio. EUR, ist allerdings ungewiß, der Vertrag läuft am 31.12.2005 aus. Eigentlich hätte das Auslaufen von NELS im Dez. 2004 verkündet werden müssen, wenn es Ende 2005 erfolgen soll.

Im Gegensatz dazu wird in England vom Langwellen-Sender Rugby ein Sendemast für LORAN-C -Versuche umgerüstet. Die General Lighthouse Association (GLA) will die Zahl der Leuchtfeuer vermindern, Sorgen bereitet ihr aber das übermäßige Vertrauen der Nutzer in GPS. Es wird davon ausgegangen, daß LORAN-C das Potential als notwendiges Backup für GPS besitzt. Zur Bestätigung sollen die Versuche mit Rugby dienen.

Frankreich will LORAN-C unbedingt bis mindestens 2015 erhalten. Es hat Pläne für zwei weitere Stationen, Straßburg bzw. Südfrankreich. Außerdem soll die Modernisierung der norditalienischen Station unterstützt werden, eventuell unter Verwendung des für die vormals geplante Irland-Station vorgesehene Antennenmastes. Österreich hat klar erklärt, an LORAN-C als Backup-System für die Satellitensysteme interessiert zu sein, besonders betont werden dabei die niedrigen Kosten und die erprobte Technik. Ähnliches gilt für die Tschechische Republik, sie hat mit Österreich schon über eine neue Station bei Prag diskutiert. Dänemark, Irland und die Niederlande scheiden aus NELS aus. Auch Deutschland wird den Vertrag nicht verlängern, es hofft, daß LORAN-C auf privater Basis weiterbetrieben werden kann und mit anderen privaten Systemen in Wettbewerb tritt. Norwegen will ebenfalls den Vertrag auslaufen lassen, das System werde zu wenig genutzt. Hoffentlich stellt man nicht nach dem Abschalten fest, wie dringend LORAN-C zur Absicherung der Satelliten-System  erforderlich wäre.

Eine Kette in Saudi-Arabien deckt das östliche Mittelmeer, das Rote Meer, den Persischen Golf, den Golf von Aden, den Golf von Oman und einen Teil des arabischen Meeres ab. China baute ein LORAN-C-Netz an der Küste auf. Die Betriebsaufnahme der 6 Sender erfolgte im Frühjahr 1994. Auch Indien nahm den Betrieb der neu erbauten Ketten bei Bombay und Kalkutta 1994 als Ersatz für DECCA auf. In Südkorea wurden 2 Stationen einer ehemaligen Kette der US Luftwaffe modernisiert. Neben diesen spezifischen Aktivitäten bildete sich 1992 auch in Ostasien eine LORAN-C-Gruppe mit den Mitgliedern China, Japan, Korea und Rußland (FERNS, Far East Radio Navigation Service).

Im Nordpazifik besteht bereits seit 1987 eine Zusammenarbeit zwischen den USA und der UdSSR/GUS. Für die gemeinsame USA/GUS-Kette erfolgte die Betriebsbereitschaftserklärung ebenfalls 1994. Nach Rückzug der USA aus dieser Kette übernahm Japan Ende 1994 die Aktivitäten.

Der Grund für den überraschenden Ausbau bzw. Erhalt des LORAN-C-Netzes war die Erkenntnis der Staaten, daß die Verkehrssicherungspflicht in den eigenen Gewässern nur durch ein zu GPS redundantes, weitgehend störungssicheres, nicht militärisches Navigationssystem zu gewährleisten sei.

Unabhängigkeit von GPS

Es ist für die EU nicht zu akzeptieren, daß innerhalb der nächsten 10 Jahre nicht nur alle europäischen, kritischen Transportaktivitäten, sondern auch Mobilfunk, Stromversorgung und andere zeitkritische Systeme allein von GPS abhängig wären. ESA, EUROCONTROL und EU Kommission bildeten bereits im März 1998 eine High Level Group (HLG) für Verhandlungen mit den USA über eine europäische Beteiligung und Kontrolle bei GPS.

Da die USA dazu nicht bereit waren, fiel am 17.Juni 1999 im EU-Ministerrat die Entscheidung für GNSS-2, genannt GALILEO. Damit war die Definitions-Phase für GALILEO genehmigt. Parallel fanden Gespräche mit anderen Staaten über eine Beteiligung statt (speziell mit Rußland wegen der GLONASS-Management-Erfahrungen und der GLONASS-Frequenzen). Erst am 26.März 2002 fiel die endgültige Entscheidung, 12 Monate später hatten sich dann endlich auch Deutschland und Italien geeinigt. Inzwischen unterzeichnete China zum Ärger der USA eine Absichtserklärung, sich mit EUR 200 Mio. zu beteiligen. Auch Indien, Kanada, Israel, Ukraine und GUS haben Interesse an GALILEO bekundet.

Am 30.Okt.2000 startete China für Testzwecke seinen ersten Navigations-Satelliten. Es sollte ein GPS ähnliches System aufgebaut werden, vorrangig für Landnavigation (Straße, Schiene).

 

GALILEO

 Das System soll zu GPS kompatibel sein. Da GALILEO unter privater Beteiligung (public private partnership) betrieben werden soll, werden fundamentale Systembeschreibungen wie bei GPS, z.B. das Interface Control Doc (ICD), nicht allgemein zugänglich sein.

Vorgesehen sind für das System 27 plus 3 Reservesatelliten auf 3 Bahnen in 23.616km Höhe. Die Bahnen besitzen eine Neigung gegen den Äquator von 56° (GPS 55°) und sind jeweils mit 10 Satelliten besetzt. Die Umlaufzeit beträgt 14h (GPS 12h).

Das Meßprinzip bei GALILEO entspricht dem von GPS, es werden  die Entfernungen zu den sichtbaren Satelliten gemessen (Ranging Codes). Es sind zwei GALILEO‑Kontrollzentren vorgesehen, zusätzlich wird es noch örtliche Zentren geben, die befugt sein werden, ermittelte Integritätsinformationen zu den Satelliten zu übertragen. So soll sichergestellt werden, daß im fertigen System immer von mindestens 2 Satelliten, höher als 25° über dem Horizont stehend,   aktuelle Integritätsinformationen zu empfangen sind.

Wie bei GPS arbeiten alle Satelliten auf den gleichen Frequenzen, die Unterscheidung erfolgt anhand des für jeden Satelliten spezifischen Codes,

 Von GALILEO sollen folgende Navigationsdienste angeboten werden:

 SAR‑Dienst Er läßt erstmals zu, daß der Alarmauslösende eine Bestätigung seines Alarms erhält.

War bislang auf Druck Frankreichs das unsichere Cospas-Sarsat vorgesehen, scheint jetzt aufgrund deutscher Aktivitäten das erheblich sichere INMARSAT-E eine Change zu haben. Die deutsche Entwicklung der Signalstruktur der INMARSAT-Seenotboje einschließlich der Erdefunkstelle in Perth, Australien, wurden mit erheblichen deutschen Steuermitteln unterstützt.

Open Service (OS) Er kann von jedermann kostenlos genutzt werden. Es stehen 6(!) unterschiedliche, unverschlüsselte Signale, davon 3 ohne Daten als Ranging Codes (Meßsignale), auf 3 Trägerfrequenzen (E5a/1176,45MHz, E5b/1207,14MHz, und E2‑L1‑E1/1575,42MHz) zur Verfügung. Dieser Dienst ist vergleichbar mit dem zukünftigen, modernisierten GPS mit einem dritten Signal L5 für zivile Anwender (Block IIF und Block III Satelliten).

Commercial Service (CS) Bei ihm erfolgt der Zugang über einen Service Provider, d.h. es ist eine Anmeldung und Bezahlung Voraussetzung. Als Gegenleistung stehen 2 zusätzliche, verschlüsselte Signale mit Ranging Code und Daten auf einer weiteren Trägerfrequenz (E6/1278,75MHz) zur Verfügung.

Safety of Life Service (SoL) Er ist ebenfalls kostenpflichtig. Er benutzt 4 Signale und erhält Zugriff auf die Integritätsinformationen. Dieser zertifizierte Dienst soll mit zertifizierten Zweifrequenz‑Anlagen arbeiten.

Public Regulated Service (PRS) Er arbeitet mit 2 verschlüsselten Signalen auf zwei verschiedenen Frequenzen (E6, E2‑L1‑E1). Dieser Dienst ist hinsichtlich Zugang und Anwendung vergleichbar mit dem jetzigen militärischen Anteil bei GPS (PPS mit P‑ und Y‑Code).

PRS ist die Ursache einer bis heute noch nicht völlig ausgeräumten Verstimmung zwischen der EU und den USA. Der Mißbrauch der Satelliten-Navigationssysteme kann eine Bedrohung der nationalen Sicherheit bedeuten. Eine typische Maßnahme dagegen ist das Vorhalten von Möglichkeit, um in Krisensituationen die als gefährlich angesehenen Signale (primär die offenen, zivil genutzten Signale) zu beeinflussen.

Im Rahmen der Modernisierung von GPS beabsichtigen die USA ein weiteres, verschlüsseltes militärisches Signal (M‑Code) einzuführen. Der erste Satellit mit M-Code soll 2005 gestartet werden. Hierfür ist aber, wie für den Public Regulated Service, das Signalband E2 - L1 - E1 vorgesehen. Die USA könnten im Krisenfall zum eigenen Schutz zwar örtlich die zivil genutzten Teile des Bandes stören, den für sie dann ebenfalls gefährlichen PRS‑Teil von GALILEO könnten sie hingegen unter Gewährleistung der Sicherheit des eigenen M‑Code nicht stören.

Am 26.Juni 2004 (Dublin) kamen USA und EU dann u.a. überein, daß

---  PRS und M-Code getrennt werden,

---  zukünftig die zivil genutzten Signale von GPS und GALILEO eine einheitliche Signalstruktur erhalten,

---  die unterschiedlichen geodätischen Bezüge und die Zeitsysteme interoperabel sein sollen.

Damit schienen US Sicherheitsbedenken ausgeräumt und die Voraussetzungen für ein echtes Kombinationssystem GPS/GALILEO geschaffen. Seit kurzer Zeit steht jedoch eine erneute Drohung der USA im Raum. Die EU sieht für GALILEO als rein zivilem System im Konfliktfall keine Signalveränderung oder –abschaltung zur Nutzungseinschränkung vor. Dies soll selbst dann gelten, wenn GALILEO in einem Krieg gegen die USA genutzt werden sollte. Die USA wollen in solchem Fall, insbesondere wenn China am Konflikt beteiligt sein sollte, GALILEO nicht nur reversibel stören sondern auch irreversibel (Zerstörung der Satelliten).

Spätestens im Juni 2006 müssen erste GALILEO‑Signale aus dem Orbit zu empfangen sein, um die Reservierung der Frequenzen bei der ITU (International Telecommunication Union) aufrechtzuerhalten. Am 11.Juli 2003 wurde der Auftrag für erste Testsatelliten vergeben, die britische Firma Surrey Space Technology Limited (SSTL) baut den ersten Satelliten (EUR 27,9 Mio., Start 2.Halbjahr 2005). Der Auftrag für den zweiten Satelliten (EUR 72,3 Mio.) ging an Galileo Industries (GaIn). Beide Satelliten werden voraussichtlich mit Soyuz‑Raketen von Baikonur in Rußland gestartet.

Um GALILEO benutzen zu können, bedarf es selbstverständlich neuer Navigationsanlagen. Für den Sportbootbereich genügt eine Einfrequenzanlage die lediglich die offenen Signale von GPS und GALILEO auf dem Band E2‑L1‑E1 verarbeiten kann. Mehrfrequenzanlagen ergeben unter anderem zwar bessere Positionsgenauigkeiten, die aber von keiner Seekarte unterstützt werden kann. Schon die mit heutigen GPS‑Anlagen erreichten Genauigkeiten lassen sich in der Seekarte kaum noch nutzen.   

Absicherung der Satelliten-Navigation

GPS ebenso wie das zukünftige GALILEO wird in seiner Funktionsfähigkeit von unabsichtlichen (wie z.B.: unerkannte Satelliten-Signalmängel, Ausbreitungsanomalien z.B. durch Sonnenaktivität, Reflexionen und Abschattungen) aber auch absichtlichen Störungen vermindert oder sogar verfälscht. In die Kategorie absichtlicher Beeinflussungen fallen Manipulationen im Konfliktfall aber auch Störungen durch Terroristen oder Hacker. Die Störtechniken sind bekannt, entsprechende Einrichtungen auf dem Markt (schon 1997 wurde für $3.500 auf der Moskauer Luftfahrtschau ein GPS-Störsender angeboten). Sie sind aber auch leicht zu bauen, Anleitungen bietet das Internet. Bauteile für ca. $500 genügen für eine Störreichweite von ca. 200 km. Damit ließe sich die GPS-Navigation über die Breite vieler Meeresengen, beispielsweise des englischen Kanals oder der Elbmündung, zum Erliegen bringen. Die Wirkung des Störsenders verbunden mit einer Verminderung seiner Auffindbarkeit ließe sich leicht durch einen Zufallsgeber als Ein/Aus-Schalter steigern. Die Erzeugung eines GPS-ähnlichen Signals würde die Störreichweite bei gleicher Leistung noch um etwa den Faktor 10 erhöhen.

Je umfangreicher die Anwendungen und Abhängigkeiten von GPS werden, desto größer wird auch der Anreiz für absichtliche Störaktivitäten (vergl. Internet-Hacker). Die weiträumigen Stromversorgungsstörungen im Jahre 2003 (14.Aug. NE-USA, 12.Aug. London, 23.Sept. Dänemark/Südschweden, 28.Sept. Italien) hatten ihre Ursache nicht in einer GPS-Störung aber die Stromverteilung, auch in Deutschland, stützt sich weitgehend auf die Zeitinformationen von GPS. Der 11.Sept.2001 hat gezeigt, daß alles was geschehen kann auch geschieht.

Differential-GPS (DGPS oder Land-Based Augmentation System, LBAS) war der erste Ansatz zur partiellen Absicherung von GPS. Von einer Referenz-Station, werden international standardisierte GPS-Korrekturen ermittelt und ausgesendet. Die Verwendung der Korrekturen in der Bordanlage ergibt in einem begrenzten Gebiet um die Referenz-Station einen auf etwa ±3m verminderten Fehler. Viel wichtiger ist aber, daß sich die Integrität von GPS verbessert, d.h. es wird rechtzeitig vor an Bord nicht erkennbaren Mängeln der Satelliten-Signale gewarnt. Der geringe Positionsfehler von ±3m ist für die Navigation ohnehin nicht erforderlich, schon ±13m  erfordern erhöhte Aufmerksamkeit, da viele Seekarten diese Genauigkeit nicht unterstützen.

Inzwischen gibt es in Europa ca. 160 DGPS-Sender, sie nutzen die ehemaligen Funkfeuerfrequenzen, allerdings verteilte man die 64 Frequenzen am 18./19.Sept.2001 neu, um gegenseitigen Störungen zu vermeiden.

Insgesamt wurden in über 30 Ländern DGPS-Stationen gebaut oder haben ihren Betrieb bereits aufgenommen. Die Nutzung ist kostenlos. Die US Coast Guard erklärte am 15.März 1999 ihr DGPS für voll verwendungsfähig. An der Abdeckung der gesamten USA mit DGPS (Nationwide DGPS, NDGPS) wird gearbeitet. Auch in Deutschland sind die Aufträge für den Aufbau 5 zusätzlicher DGPS-Stationen vergeben (Zeven/Niedersachsen, Koblenz, Iffezheim/Baden-Württemberg, Bad Abbach/Bayern, Mauken/Oberelbe/Sachsen-Anhalt). Sie sollen die Binnengewässer abdecken, mit dem Nebeneffekt, daß das gesamte Bundesgebiet abgedeckt wäre.

Nach erfolgreichen Versuchen mit einem geostationären INMARSAT-Nachrichten-Satelliten, werden jetzt versuchsweise von 4 Satelliten (15,5°W, 21,5°E, 25°E, 64°E) Korrekturen für GPS und Warnungen bei Störungen verbreitet. Dieses, als GNSS-1 oder EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) bezeichnete System, sollte 2004 voll betriebsklar sein und Europa, Atlantischen-, Afrika und Mittleren Osten abdecken. Als Betriebsdauer sind 5 Jahre mit der Möglichkeit einer Verlängerung auf 10 Jahre vorgesehen. Das System ist dem amerikanischen Wide Area Augmentation System, WAAS (Satelliten auf 54°W und 178°E) und dem japanischen MTSAT (Multi-Function Transport Satellite) vergleichbar und sollte, wie diese, primär der Luftfahrt dienen. Inzwischen wird es aber auch erfolgreich in anderen Verkehrsbereichen angeboten. Die japanische Regierung genehmigte im April 2003 $461 Mio.(insgesamt $1,6 Milliarden für 12 Jahre) für die Entwicklung eines Quasi Zenith Satellite System (QZSS), mit dem die Positionsermittlung in Tälern und städtischen Häuserschluchten verbessert werden soll. Der erste Start der insgesamt 3 Satelliten ist für 2008 vorgesehen. Ähnliche Entwicklungen gibt es auch in Kanada (CWAAS), China (Satellite Navigation Augmentation System, SNAS) und Indien (GAGAN).

Das Funktionsprinzip dieser satellitengestützten Differential-Systeme(Space-Based Augmentation System, SBAS) unterscheidet sich von den erdgebundenen DGPS (LBAS)

Die Struktur der abgestrahlten Signale wurde jedoch genau wie bei DGPS international genormt. Es sind auch hier Referenzstationen beteiligt und zwar eine Vielzahl. Die Verteilung der Informationen an die Nutzer erfolgt über geostationäre Satelliten. Die Bezeichnungen für die beteiligten Einrichtungen bei den verschiedenen SBAS sind jedoch nicht einheitlich, obwohl ihre Aufgaben identisch sind. Nachfolgend werden die Bezeichnungen von EGNOS benutzt.

Über das Versorgungsgebiet sind zahlreiche Reference and Integrity Monitoring Stations (RIMS) verteilt. Von ihnen werden die Entfernungsfehler zu den jeweils sichtbaren Satelliten ermittelt. Sie werden jedoch nicht als Korrekturen direkt an die Nutzer verteilt. Statt dessen werden sie in einer zentralen Kontrollstation, Mission Control Center (MCC), verarbeitet. Davon gibt es ebenfalls zur Sicherheit mehrere, es ist jedoch nur jeweils eines aktiv. Die verschiedenen Fehleranteile des Satelliten-Signals werden dort herausgearbeitet. Uhren-, Bahndatenfehler können dabei dem jeweiligen Satelliten zugeordnet werden, während der Ionosphären-Ausbreitungsfehler ortsabhängig ist. Er wird für die Punkte eines Gitternetzes berechnet, dessen Größe sich aus der geographischen Verteilung der RIMS ergibt. Dieses mit Werten besetzte Netz bestimmt das Versorgungsgebiet. Ein weltweit gültiges Gitternetz wurde bereits definiert, die Punktabstände betragen zwischen 55°N und 55°S jeweils 5° in Breite und Länge, in höheren Breiten bis 75° erhöht sich der Abstand auf 10°. Abhängig von der Geschwindigkeit mit der sich die verschiedenen Fehler ändern, erfolgt die Aufdatierung der Korrekturen alle 1 bis 5 Minuten. Sie werden von Erdestationen, Navigation Land Earth Station (NLES, je 2 für jeden Geo-Sat.), zum geostationären Satelliten (positioniert 36.000 km über dem Äquator) übertragen.

Alle Geo-Satelliten geben die Informationen in einen genormten Datentelegramm an den Nutzern weiter. Er soll aus Sicherheitsgründen jeweils die Signale zweier Geo-Satelliten empfangen können. Die GPS-Anlage des Nutzers korrigiert dann Uhren-, Bahndatenfehler der benutzten GPS-Satelliten direkt. Die empfangenen Ausbreitungskorrekturen der zur eigenen Position nächstgelegenen Netzpunkte werden gemittelt. Das Ergebnis dient dann dazu, das im GPS-Empfänger benutzte Ionosphären-Ausbreitungsmodel zu verbessern. Ohne diese Korrektur verwendet der GPS-Empfänger ein globales, von den GPS-Satelliten etwa wöchentlich aufdatiertes Ausbreitungsmodel, das keine zeitlich und/oder örtlich begrenzt auftretenden Unregelmäßigkeiten berücksichtigen kann, wie sie beispielsweise Sonnenaktivitäten erzeugen. Der Gewinn des SBAS-Korrekturverfahrens ist ein auf etwa ±3 m verminderter Standortfehler.

Da von den Referenzstationen die GPS-Satelliten auch auf Signalmängel beobachtet werden, kann gegebenenfalls innerhalb von 6 s (Luftfahrtforderung) eine entsprechende Warnung der Nutzer erfolgen. 

Alle Informationen werden von den Geo-Satelliten auf der gleichen Frequenz ausgestrahlt, die auch für das zivil nutzbare GPS-Signal verwandt wird, L1 = 1575,42 MHz. Ein zusätzlicher Empfänger, wie er beim bodengestützten DGPS erforderlich ist, entfällt daher. Hinzu kommt, daß auch die Struktur des Signals ähnlich der des GPS-Signals gewählt wurde. Dadurch können die geostationären Satelliten wie zusätzliche „GPS-Satelliten“ auch für die Standortbestimmung herangezogen werden. Wegen dieser Zusatzfunktion werden sie von den Referenzstationen wie die GPS-Satelliten beobachtet und ihre eventuell fehlerhaften Daten korrigiert bzw. ihre Funktion „GPS-Satellit“ abgeschaltet, ohne daß davon die Übertragung der Korrekturdaten und Warnungen beeinflußt sein muß. Die Geo-Satelliten unterliegen darüber hinaus aber ähnlichen Beschränkungen wie die GPS-Satelliten, ihre Signale können abgeschattet werden.

Die GPS-Ergänzung durch SBAS hat drei Aspekte:

1)                 Verminderung des Standortfehlers durch Verbesserung des Ausbreitungsmodels,

2)         Integritätsgewinn durch schnelle Warnung bei vom Nutzer nicht erkennbaren Signalmängeln einzelner GPS-Satelliten,

3)         Erhöhung der Satellitenanzahl für die Standortbestimmung.

WAAS besitzt seit dem 10.Juli 2003 für die Luftfahrt den Status Initial Operational Capability (IOC). Für bodengebundene Anwendungen kann es voll benutzt werden.

Es gibt daneben noch einige firmeneigene DGPS-Netze z.B. von Sercel, Racal, Fugro, die allerdings nur gegen eine Gebühr genutzt werden können. Weitere Stützungsverfahren befinden sich bei BOEING, LOCKHEED MARTIN und HUGHES SPACE and COMMUNICATION in der Entwicklung. Ihnen ist gemeinsam, daß sie Satelliten benutzen sollen.

Es darf allerdings nicht übersehen werden, daß im Konfliktfall auch die Wirksamkeit der Differential-Korrekturen durch Manipulationen an GPS beeinträchtigt werden kann! Bei Ausfall von GPS ist jede Form eines Differential-GPS ohnehin völlig nutzlos. DGPS bietet auch keinen Schutz gegen örtliche Störsender. Es müßte also immer angestrebt werden, ein zweites, unabhängiges Navigations-Verfahren zur Stützung heranzuziehen.

Als redundantes, terrestrisches Verfahren zu GPS kristallisierte sich, auch aus Gründen der Vereinheitlichung, LORAN-C heraus. Selbst die USA hoben das geplante Betriebsende ihrer LORAN-C-Ketten ohne Angabe eines neuen Termins auf. Die nordeuropäischen Ketten sollten vormals mindestens bis 2010 betrieben werden. Auch aus der GUS wurde bekannt, daß dort die LORAN-C-Ketten neben dem eigenen Satelliten-Navigationsverfahren GLONASS in Betrieb bleiben sollen.

Das nordeuropäische LORAN-C-Netz (NELS) weist eine hervorstechende Besonderheit auf: alle 4 Ketten sind untereinander synchronisiert. Inzwischen modernisieren die USA ihre Ketten mit dem gleichen Ziel. Damit wird die strenge Verbindung eines Hauptsenders mit seinen 3 bis 4 Nebensendern bei der Navigationslösung weitgehend aufgehoben; es kann eine beliebige Kombination der verschiedenen Sender für die Positionsbestimmung herangezogen werden. Da das Netz nicht nur in sich, sondern auch mit GPS synchronisiert ist, können Navigationsanlagen gebaut werden, die beide Verfahren gleichzeitig nutzen. Jeder LORAN-C-Sender wird hierbei als zusätzlicher, "Pseudo"-GPS-Satellit angesehen. Diese Methode gestattet es, Verfahrensmängel sowohl bei LORAN-C als auch bei GPS zu erkennen, dies wäre bei Nutzung nur eines Verfahrens nicht möglich. Diese Entwicklung stützt sich auf deutschen Studien (BMVtg[1], WSD Nord)

Die Techn. Universität Delft entwickelte außerdem eine Methode, das LORAN-C-Signal (100 kHz) mit DGPS-Korrekturen zu modulieren. Dies als EUROFIX bezeichnete Verfahren wurde auf der Station Sylt installiert und kann seit dem 10.Aug.1999 ohne Einschränkungen genutzt werden. Im Jahre 2000 sind die EUROFIX-Stationen Bø, Værlandet (Norw.) und Lessay (Frankr.) hinzugekommen. Die Korrekturen ergeben GPS-Positionsfehler von ±3m (95%) in einer Entfernung von 400km; auch in Gebirgstälern (Alpen, 1000km Entfernung) und Häuserschluchten wurde die volle Funktionsfähigkeit nachgewiesen. Bei vollständigem Ausbau wären in vielen Gebieten mehrere EUROFIX-Stationen zu empfangen. Dadurch können zusätzlich statistische Methoden zur Fehlererkennung eingesetzt werden, ähnlich wie es bei GPS mit mehr als 4 brauchbaren GPS-Satelliten möglich ist. Zusätzlich könnten in Nordeuropa die DGPS-Stationen eingespart werden. In den USA und Rußland durchgeführte Untersuchungen ergaben dieselben guten Ergebnisse. Die USA arbeiten im Rahmen ihrer LORAN-C-Modernisierung an einem zu EUROFIX ähnlichen Verfahren eLORAN.

Inzwischen strahlen 4 NELS-Stationen EUROFIX-Signale aus. Parallel wurde die Entwicklung preiswerter Empfängerbausteine gefördert. Die EU stellte Mittel im Programm "Integrated Ship Control" bereit. Das GAUSS-Komitee (Global Augmentation for Satellite Systems) erarbeitete unter deutscher Leitung mit namhaften internationalen Fachleuten die IMO Spezifikationen für Frequenznutzung und integrierte Empfangsanlagen. 

Neben der Verminderung des GPS-Fehlers auf ca. ±3m und des auch hier vorhandenen, viel wichtigeren Integritätsgewinnes ist zusätzlich eine Verbesserung bei LORAN-C möglich. LORAN-C besitzt, wie jedes Navigationsverfahren, systematische Fehler, hier bedingt durch unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten. Die Korrektur der Signalausbreitung über See vom Sender zum Empfänger wird durch den gut erfaßbaren Secondary Phase Faktor (SF) berücksichtigt. Sind jedoch vom Signal auch Landgebiete zu überbrücken, über denen die Ausbreitungsgeschwindigkeiten sehr unterschiedlich sind, so bedarf die Positionsbestimmung einer weiteren Korrektur, dem Additional Secondary Phase Factor (ASF). Dieser zeigt eine ausgeprägte Abhängigkeit vom Empfangsort. Mit EUROFIX/GPS läßt sich erstmals jederzeit und laufend die Gesamtkorrektur ermitteln (SF zuzüglich ASF), quasi als Differenz zwischen den Positionen aus dem reinen LORAN-C und dem EUROFIX-DGPS. LORAN-C, auf diese Weise laufend kalibriert, weist bei Ausfall von GPS/DGPS einen Fehler von 20...30m auf. Mit diesem Fehler ist es hervorragend als kurzzeitige Redundanz zu GPS geeignet. Das jetzige LORAN-C läßt sich insgesamt nicht mehr mit dem Hyperbel-Verfahren vergleichen, wie es vor 10 oder 15 Jahren an Bord einsetzbar war.

LORAN-C ist nicht mehr als Stand-Alone-System zu betrachten. Im zukünftigen Navigations-Verfahrens-Mix wird das Global Navigation Satellite System (GNSS) die primäre Komponente sein.

Da in naher Zukunft Satelliten-Verfahren nicht sämtliche Anforderungen der Nutzer erfüllen können, sollte LORAN-C als Stützung, insbesondere aber als Integrationsbestandteil eines robusten Navigationssystems, dienen. Die Integration sollte dabei auf der Nutzerebene, d.h. in der Navigationsanlage erfolgen.

Dieser Tatbestand blieb dem BMVBW aber offenbar ebenso wie das Gefährdungspotential bei GPS und GALILEO bisher verborgen, wie sonst hätte man den Vertrag mit NELS für 2005 auslaufen lassen können. Nur Aktivitäten für Reaktionen, wie Havarie-Kommando oder Seeunfalluntersuchungsbehörde genügen nicht, so notwendig sie auch sind. Das Schicksal des europäischen LORAN-C-Netzes als Ergänzung und Sicherung der Satelliten-Navigation ist über 2005 hinaus unsicher. Im Gegensatz dazu investieren die USA als Betreiber von GPS jährlich ca.$ 20 Mio. in die LORAN-C-Modernisierung.

In Diskussionen über LORAN-C wird immer wieder übersehen, daß es sowohl senderseitig als auch empfängerseitig in den letzten Jahren eine enorme Fortentwicklung genommen hat, es kann GPS ersetzen in Gebieten mit Sichtbehinderungen zu den Satelliten; EUROFIX (als DGPS mit Integrity-Information) könnte ohne weiteres die Zahl der DGPS-Stationen mit den ehemaligen Funkfeuerfrequenzen reduzieren. Verglichen mit den Gelder für die Entwicklung und den Aufbau von EGNOS und Galileo sind die Kosten für eine europaweite Erweiterung von LORAN-C und den Betrieb ein Taschengeld.

Auch kombinierte Navigationsanlagen für GPS und GLONASS werden bereits angeboten, um Mängel des einen Verfahrens durch das zweite ausgleichen zu können. Die Methode hat ihre Brauchbarkeit bewiesen, hängt aber von der unsicheren Zukunft von GLONASS ab.

Ebenso wird es kombinierte GPS/GALILEO-Anlagen geben, nicht nur zur gegenseitigen Stützung sondern auch zur Verminderung des Positionsfehlers.

Es darf aber nicht verkannt werden, daß die Kombination zweier Satelliten-Verfahren, die im gleichen Frequenzbereich und mit etwa gleicher Leistung arbeiten, auch sehr einfach simultan gestört werden können, im Gegensatz zur Kombination LORAN-C/GNSS.

 


Eine in GPS selbst begründete Sicherungsmöglichkeit stellt RAIM (Receiver Autonomous Integrity Monitoring) dar. Bei einem Überangebot an nutzbaren GPS-Satelliten, augenblicklich sind bis zu 30 statt 24 aktiv, wird vom Empfänger über mathematische Methoden auf mängelbehaftete Satelliten-Signale rückgeschlossen und diese für die Positionsberechnung nicht benutzt. Sind jedoch die Signale von mehr als einem Satelliten fehlerhaft, kann es Probleme geben. Diese Technik ist für zulassungspflichtige GPS-Anlagen inzwischen vorgeschrieben. Sportboot-Anlagen sind nicht zulassungspflichtig und verfügen bisher noch nicht über diese Technik. Der zusätzliche Software-Aufwand lohnte sich bislang nicht. Die künstliche System-Verschlechterung SA überdeckte ohnehin weitgehend alle Software-Feinheiten.

 

Welches dieser Verfahren, die nicht kompatibel sind, d.h. mit einer Bordeinrichtung nicht wahlweise einsetzbar sind, sich durchsetzen wird, muß abgewartet werden.

 

ROYAL  INSTITUTE  OF  NAVIGATION   "NAVIGATION CONFERENCE 02"

(GNSS VULNERABILITY, London, 5-7 November 2002)

Am Ende der Konferenz wurde folgende Resolution verabschiedet:

" In order to insure that GALILEO can contribute to a robust global navigation and timing infrastructure, this conference strongly recommends that European Administrations recognise the key findings of the US Volpe Report, the NAV 02 proceedings and other studies of the significant vulnerability of GNSS to loss of signal, interference and jamming. The conference noted that many of these concerns apply to GALILEO as well as GPS.

The Volpe Report identifies the need to ensure that appropriate and adequate alternative systems are maintained as required for the use by maritime, aeronautical and land navigators, as well as for timing and telecommunications applications.

An Action Plan should be formulated as a matter of urgency to address this issues. This should be used as an input to the European Radionavigation Plan."

Auch auf allen folgenden nationalen und internationalen Fachkonferenzen, an denen der Verfasser teilnahm, wurde ungeteilt die gleiche Ansicht vertreten, ohne daß bisher Reaktionen zur Sicherung der Satelliten-Navigation aus europäischen Regierungskreisen oder der EU-Kommission  vorliegenaußer einigen Ausnahmen wie England und Österreich. 

 

Fazit:

Als Schlußfolgerungen ergeben sich:

1)         Es sind zwei Zeitabschnitte zu unterscheiden:

           a) bis zur Betriebsaufnahme eines zivil kontrollierten Satelliten-Navigationssystems (GALILEO 2008?) oder -Überwachungsverfahrens

           b)  nach Betriebsaufnahme des zivilen Systems.

2)         Folgende Veränderungen sind in den Zeitabschnitten zu erwarten:

          a) GPS kann benutzt werden, wegen fehlender Integrität sollte parallel jedoch aus Sicherheitsgründen ein redundantes Verfahren mindestens aber LBAS oder SBAS eingesetzt werden.

LORAN-C kann bis auf weiteres integriert mit GPS als Backup zu GPS dienen.

         Differential-GPS und/oder EUROFIX/eLORAN werden ausgebaut

b)  Ein international verwaltetes und betriebenes Satelliten-Navigationssystem (GNSS) oder Sat.-Nav.-Überwachungs- bzw. Ergänzungsverfahren wird den Betrieb anderer Funknavigationssysteme dann bei vielen aber nicht allen Anwendungen überflüssig machen

Home-Page

Page by Bobby Schenk
E-Mail: mail@bobbyschenk.de
URL of this Page is: https://www.bobbyschenk.de/n000/blauHH05.html

 

Impressum und Datenschutzerklärung